Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 1
1) Il nucleo 27Si (Z=14) decade β+ nel nucleo stabile 27Al (Z=13) che ha energia di legame 224.95 MeV.
L’energia cinetica massima del positrone emesso nel decadimento è 3.79 MeV.
a) Calcolare l’energia di legame del nucleo 27Si.
b) Giustificare con la formula di Weizsacker, che la differenza di energia di legame dei nuclei 27Si e
27Al è dovuta alla differenza di energia elettrostatica
c) Calcolare il raggio dei nuclei con A=27 nell’ipotesi b)
[me=0.511 MeV/c2 mp=938.27 MeV/c2 mn=939.56 MeV/c2]
2) Il nucleo di deuterio 2H ha energia di legame 2.23 MeV, mentre il nucleo di trizio 3H ha energia di legame 8.48 MeV.
a) Calcolare l’energia che occorre per portare due nuclei di deuterio 2H alla distanza d=1.4x10-13 cm e la temperatura corrispondente.
b) Se in queste condizioni avviene la reazione di fusione dei due nuclei di deuterio, indicare i prodotti dello stato finale e calcolare l’energia prodotta nella reazione di fusione.
[ k=8.6x10-11 MeV/K mp=938.27 MeV/c2 mn=939.56 MeV/c2]
3) Il nucleo di radio 226Ra (Z=88) decade α con un periodo di dimezzamento di 1602 anni. Scrivere la reazione di decadimento. Calcolare il numero di nuclei presenti in 1 g di radio e il numero di disintegrazioni al secondo. Tale numero è definito 1 Curie (Ci), ed è la storica unità di misura di attività.
4) Direi quali fra i seguenti decadimenti sono ammessi e quali proibiti sulla base del bilancio energetico
11
22
Na →
1222Mg + e
−+ ν
e 1122Na → 1022Ne + e++ν
e 1122Na →189F +α
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 2
Valori delle masse: M(22Na) = 20486.41 GeV/c2, M(22Mg) = 20492.49 GeV/c2, M(22Ne) = 20483.57 GeV/c2, M(18F) = 16766.73 GeV/c2, M(α) = 3728.17 GeV/c2
5) Calcolare l’energia di legame di un nucleo di 8Be. E’ un nucleo stabile?
(Massa del 8Be = 8.005305 amu; 1 amu = 931.582 MeV).
6) Utilizzando la teoria del decadimento a di Gamow, Condon, Gurney, stimare il tempo di vita medio del 232Th, considerando il decadimento
7) Determinare l’attività di 1 g di carbonio in un organismo vivente, sapendo che il rapporto fra gli atomi di 14C e 12C è 1.2 ×10-12. Il tempo di dimezzamento del 14C è 5730 anni.
Se l’attività di 50 g di legno carbonizzato di un accampamento preistorico è 7200 disintegrazioni al minuto, determinare l’età dell’accampamento.
8) Una quantità di 200 mg di 226Ra ( λa =1.37×10−11 s−1) è racchiusa in un contenitore ermetico. Il Ra decade in 222Rn ( λb = 2.1×10−6 s−1) che in condizioni normali è in forma gassosa. Ogni due giorni viene estratto dal contenitore tutto il Rn gassoso.
a) Quanti mC di Rn si hanno a disposizione dopo ogni estrazione ?
b) Quale sarebbe la quantità di Rn che si otterrebbe se, prima della estrazione, si attendesse che Ra e Rn arrivassero all’equilibrio ?
90
232Th → 22888Ra +α Q = 4 MeV
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 3
Il nucleo 27Si (Z=14) decade β+ nel nucleo stabile 27Al (Z=13) che ha energia di legame
224.95 MeV. L’energia cinetica massima del positrone emesso nel decadimento è 3.79 MeV.
a) Calcolare l’energia di legame del nucleo 27Si.
b) Giustificare con la formula di Weizsacker, che la differenza di energia di legame dei nuclei 27Si e 27Al è dovuta alla differenza di energia elettrostatica
c) Calcolare il raggio dei nuclei con A=27 nell’ipotesi b)
[me=0.511 MeV/c2 mp=938.27 MeV/c2 mn=939.56 MeV/c2]
Soluzione
Il decadimento è
Per la conservazione dell’energia
Scriviamo le masse dei due nuclei intermini dell’energia di legame
14
27
Si →
1327Al + e
++ ν
eB ( )
1427Si = 14m
p+13m
n− M ( )
1427Si ⇒ M ( )
1427Si = 14m
p+13m
n− B ( )
1427Si
B (
1327Al ) = 13m
p+14m
n− M (
1327Al ) ⇒ M (
1327Al ) = 13m
p+14m
n− B (
1327Al )
Q = M ( )1427Si − M (1327Al ) − m
e = T
e + T
νe + T
Al ≈ T
e + T
νe = T
eMax
Al ) − m
e= T
e+ T
νe+ T
Al≈ T
e+ T
νe= T
eMaxFisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro
14m
p+13m
n− B ( )
1427Si −13m
p−14m
n+ B (
1327Al ) − m
e= T
eMaxB ( )
1427Si = B (
1327Al ) − T
eMax− m
n− m
e+ m
pB ( )
1427Si = 224.95 − 3.79 − 939.56 − 0.511+ 938.27 = 219.359 MeV
Sostituendo le masse nell’espressione di Q si ricava
b) Dato che i nuclei hanno stesso numero di massa A, i termini di volume e superficie della formula semiempirica di massa sono uguali. A è dispari quindi il temine di pairing è nullo. Il termine di asimmetria è uguale essendo proporzionale a (N-Z)2 che è uguale.
L’unico termine differente è quello coulombiano perché proporzionale a Z2 che è 13 per Al e 14 per Si.
3)
E
C= −0.86 Z Z −1 ( )
R( fm) MeV
ΔB = BAl − BSi = 224.95 - 219.359 = 5.591 MeV ΔB = ECAl − ECSi = −0.86 ×13×12
R + 0.86 ×14 ×13
R = 0.86 ×13× 2 R R = 0.86 × 26
5.591 fm = 4.0 fm
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 5
Il nucleo di deuterio 2H ha energia di legame 2.23 MeV, mentre il nucleo di trizio 3H ha energia di legame 8.48 MeV.
a) Calcolare l’energia che occorre per portare due nuclei di deuterio 2H alla distanza d=1.4x10-13 cm e la temperatura corrispondente.
b) Se in queste condizioni avviene la reazione di fusione dei due nuclei di deuterio, indicare i prodotti dello stato finale e calcolare l’energia prodotta nella reazione di fusione.
[ k=8.6x10-11 MeV/K mp=938.27 MeV/c2 mn=939.56 MeV/c2]
Soluzione a)
b) La reazione di fusione dei due nuclei di deuterio è E = α!c
d = 3 2kT T = 2α!c
3kd = 2 ×197
3×137 × 8.6 ×10−11×1.4 = 1.14 ×10−11 K
1
2
H +
12H →
13H + p
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro
L’energia liberata dalla fusione è data dalla differenza fra le masse iniziali e le masse dei prodotti
Ricaviamo le masse di deuterio e trizio dalle energie di legame che sono note
Sostituendo le masse nell’espressione di Q si ottiene
Q = 2M ( )
12H − M ( )
13H − m
pQ = 2 m ⎡ ⎣
p+ m
n− B ( )
12H ⎤
⎦− m ⎡ ⎣
p+ 2m
n− B ( )
13H ⎤
⎦− m
pQ = −2B ( )
12H + B ( )
13H = −2 × 2.23+ 8.48 = 4.02 MeV
B ( )
12H = m
p+ m
n− M ( )
12H = 2.23 MeV ⇒ M ( )
12H = m
p+ m
n− B ( )
12H
B ( )
13H = m
p+ 2m
n− M ( )
13H = 8.48 MeV ⇒ M ( )
13H = m
p+ 2m
n− B ( )
13H
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 7
Il nucleo di radio 226Ra (Z=88) decade α con un periodo di dimezzamento di 1602 anni.
Scrivere la reazione di decadimento. Calcolare il numero di nuclei presenti in 1 g di radio e il numero di disintegrazioni al secondo. Tale numero è definito 1 Curie (Ci), ed è la storica unità di misura di attività.
Soluzione
88
226
Ra →
22286Rn + α
N0 = m
M NA =1× 6.02 ×1023
226 = 2.7 ×1021
λ
= 1τ
= ln 2 T1/2A0 = N0
λ
= 2.7 ×1021 ln 21602 × 365× 24 × 3600 = 3.7 ×1010 Bq
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro
Esercizio 4
Direi quali fra i seguenti decadimenti sono ammessi e quali proibiti sulla base del bilancio energetico
Valori delle masse: M(22Na) = 20486.41 GeV/c2, M(22Mg) = 20492.49 GeV/c2, M(22Ne)
= 20483.57 GeV/c2, M(18F) = 16766.73 GeV/c2, M(α) = 3728.17 GeV/c2
Soluzione
11
22
Na →
1222Mg + e
−+ ν
e 1122Na →
1022Ne + e
++ ν
e 1122Na →
189F + α
β
-20486.41 < 20492.49 + 0.51 NO
β
+20486.41 > 20483.57 + 0.51 SI
α
20486.41 < 16766.73 + 3728.17 NO
à NUCLEO INSTABILE decade β
+11
22
Na →
1222Mg + e
−+ ν
e11
22
Na →
1022Ne + e
++ ν
e11
22
Na →
189F + α
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 9
Calcolare l’energia di legame di un nucleo di 8Be. E’ un nucleo stabile?
La massa del Be è 8.005305 amu (1 amu = 931.582 MeV).
Soluzione
Stabilità rispetto a decadimento β.
Il minimo nella parabola di massa si ha per (Lez. 6 p.17)
Calcoliamo Zmin per A =8. I valori dei parametri sono aC=0.71 aA=93.2.
Quindi il nucleo è stabile per decadimento β
B ( )
48Be = 4m
p+ 4m
n− M ( )
48Be = 4 × 938.27+4 × 939.56 − 8.005305× 931.582 = 53.72 MeV
Z
min= 939.56 − 938.27 + 0.71× 8
−1/3+ 93.2
2 0.71× 8 (
−1/3+ 93.2 × 8
−1) = 3.95 ≈ 4
Z
min= m
n− m
H+ a
CA
−1/3+ a
A2 a ( CA
−1/3 + a
AA
−1)
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro
Stabilità rispetto a decadimento α Il nucleo decade se
Sostituendo le energie di legame (per 4He B(4,2)=28.29 MeV) si ottiene la disuguaglianza
che è verificata, quindi il nucleo decade α
4
8
Be →
24He +
24He
Q = M (
48Be ) − 2M (
24He ) > 0 ⇒ 2B (
24He ) > B (
48Be )
2 × 28.29 = 56.58 > 53.72
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 11
Utilizzando la teoria del decadimento α di Gamow, Condon, Gurney, stimare il tempo di vita medio del 232Th, considerando il decadimento
Soluzione
90
232Th → 22888Ra +
α
Q = 4 MeVLa probalità di fuga della particella α dal nucleo per effetto tunnel è
con
dove α è la costante di struttura fine e β la velocità della particella α all’uscita della barriera.
Consideriamo wα=1 la probabilità che si sia formata nel nucleo la particella.
La velocità della particella nella buca di potenziale è
dove abbiamo considerato che la buca di potenziale (Modello di Fermi) è profonda ~40 MeV.
P = 1
τ = w
αv
02R e
−2GG = π(Z − 2)α β
v0 = c 2(Tα +V )
Mαc2 = c 2 × (4 + 40)MeV
4000 MeV = 0.15 c
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro
Quindi il numero di collisioni sulla barriera per unità di tempo è
La velocità all’uscita della barriera è
Calcoliamo ora il fattore di Gamow
Mettendo tutti i termini nella formula di P otteniamo
Il valore calcolato di vita media del 232Th in base alla teoria di Gamow è in buon accordo con il valore sperimentale 1.4×1010 y .
v0
2R = v0
2R0A1/3 = 0.15 × 3×108
2 ×1.2 ×10−15× 232
( )
1/3 = 3×1021s−1
G = π(Z − 2)α
β =
π (90 − 2)
137 × 0.045 = 45 β = 2Tα
Mαc2 = 2 × 4 MeV
4000 MeV = 0.045
P = v0
2Re−2G = 3×1021× e−90 ≈ 3×1021×10−39 = 3×10−18s−1 τ = 1
P = 0.33×1018s=1.1×1010y
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 13
Determinare l’attività di 1 g di carbonio in un organismo vivente, sapendo che il rapporto fra gli atomi di 14C e 12C è 1.2 ×10-12. Il tempo di dimezzamento del 14C è 5730 anni.
Se l’attività di 50 g di legno carbonizzato di un accampamento preistorico è 150 disintegrazioni al minuto, determinare l’età dell’accampamento.
Soluzione
Il numero di atomi in un 1 g di carbonio è
Il numero di atomi di 14C è
La costante di disintegrazione
Quindi l’attività di 1 g di carbonio in un organismo vivente è N = NAm
A = 6.02 ×1023
12 = 5.02 ×1022
N
14C
= 5.02 ×10
22×1.2 ×10
−12= 6 ×10
10λ = ln 2
T1/2 = 1.21×10−4y-1 = 3.8 ×10−12s-1
N
14Cλ = 0.23 Bq
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro
L’attività di 50 g di legno carbonizzato è
dove t è il tempo passato da quando il legno fu bruciato nell’accampamento.
Applicando la legge del decadimento radioattivo
dove l’attività iniziale è quella di 50 g di un organismo vivente, cioè
Ricaviamo quindi t
A(t) =150 dis/min = 2.5 Bq
A(t) = A
0e
-λtA0 = m × N14Cλ = 50 × 0.23 = 11.5 Bq
t = 1 λ ln
A0
A(t) = 1
1.21×10−4 ln11.5
2.5 = 12612 y
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 15
Una quantità di 200 mg di 226Ra ( λa =1.37×10−11 s−1) è racchiusa in un contenitore ermetico. Il Ra decade in 222Rn ( λb = 2.1×10−6 s−1) che in condizioni normali è in forma gassosa. Ogni due giorni viene estratto dal contenitore tutto il Rn gassoso.
a) Quanti mC di Rn si hanno a disposizione dopo ogni estrazione ?
b) Quale sarebbe la quantità di Rn che si otterrebbe se, prima della estrazione, si attendesse che Ra e Rn arrivassero all’equilibrio ?
Soluzione
a) Le equazioni per i decadimenti sono di 226Raà222Rn e del 222Rn sono
le cui soluzioni
dove abbiamo considerato che Nb(0)=0, dato che il Rn è estratto.
dN
adt = −λ
aN
adN
bdt = λ
aN
a− λ
bN
b⎧
⎨ ⎪⎪
⎩
⎪ ⎪
N
a(t) = N
a(0)e
−λatN
b(t) = N
a(0) λ
aλ
b− λ
ae
−λat
− e
−λbt⎡ ⎣ ⎤ ⎦
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro
Considerando che λb >>λa possiamo approssimare il numero di atomi di 222Rn
Calcoliamo Na(0) cioè il numero di atomi di 226Ra
e sostituendo tale valore, per t=2g=172800 s si ottiene
L’attività del 222Rn estratto è
N
b(t) = N
a(0) λ
aλ
b− λ
ae
−λat
− e
−λbt⎡ ⎣ ⎤ ⎦ ≈ N
a(0) λ
aλ
b1− e
−λbt
⎡ ⎣ ⎤ ⎦
N
a(0) = m N
AM = 200 ×10
−3× 6.02 ×10
23226 = 5.33×10
20N
b(2g) = N
a(0) λ
aλ
b1− e
−λbt
⎡⎣ ⎤⎦= 5.33×10
201.37 ×10
−112.1×10
−6( 1− e
−0.363) =1.056 ×10
15A = N
b(2g) λ
b=1.056 ×10
15× 2.1×10
−6= 2.2176 ×10
9Bq = 2.2176 ×10
9Bq
3.7 ×10
10Bq/Ci =59.7 ×10
−3Ci
Fisica Nucleare e Subnucleare – Esercitazione 4 Paolo Maestro 17
da cui si ricava
e la corrispondente attività
N
aλ
a= N
bλ
bN
b= N
aλ
aλ
b= 5.33×10
20